SKD61是應(yīng)用較為廣泛的熱作模具鋼。該材料淬硬后硬度可達(dá)50HRC以上，加工效率低，成本高，可切削性差。隨著新型涂層硬質(zhì)合金刀具的發(fā)展，使得高效切削加工淬硬鋼等硬材料成為可能。

目前國(guó)內(nèi)外使用最多的是WC基硬質(zhì)合金刀具，隨后又出現(xiàn)了超細(xì)晶及納米級(jí)晶粒硬質(zhì)合金、梯度硬質(zhì)合金、CBN涂層硬質(zhì)合金等刀具新類型 。近年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者根據(jù)基體材質(zhì)種類對(duì)刀具切削性能的影響做了較為深入的研究。李友生等研究了正常切削速度下各種刀具材料與工件材料匹配時(shí)的刀具磨損機(jī)理以及高速切削條件下刀具的磨損狀態(tài)；Deng Jianxin等研究了YG 及YT 類硬質(zhì)合金刀具干式切削固溶處理奧氏體不銹鋼時(shí)的磨損機(jī)制；何光春等通過YW2硬質(zhì)合金刀具高速干式車削淬硬鋼AISIH13的試驗(yàn)，觀察和分析了刀具磨損表面的微觀形貌，探究了刀具的磨損機(jī)理?？梢姡芯坎煌w對(duì)硬質(zhì)合金涂層刀片銑削模具鋼耐磨性能的影響具有重要意義。

本文以試驗(yàn)為基礎(chǔ)，研究不同基體對(duì)SKD61模具鋼銑削刀片耐磨性能的影響，在相同的切削參數(shù)下進(jìn)行干切削，得到了三種基體刀片耐磨性的優(yōu)劣，并對(duì)其微觀結(jié)構(gòu)及磨損機(jī)理進(jìn)行了分析。

借鑒廖詩蘭發(fā)明的硬質(zhì)合金的金相組織結(jié)構(gòu)顯露方法，試驗(yàn)步驟如下：

①將三種銑刀片同時(shí)置于自動(dòng)熱鑲嵌機(jī)中，并添加酚醛樹脂進(jìn)行鑲嵌處理，得到鑲嵌樣品；

②對(duì)鑲嵌樣品進(jìn)行粗磨處理，形成粗磨面；

③對(duì)粗磨面進(jìn)行精磨和拋光處理，得到金相樣品；

④配置飽和的三氯化鐵鹽酸溶液作為第一腐蝕液；

⑤將質(zhì)量百分比為20%的氫氧化鈉水溶液與等量的質(zhì)量百分比為20%的鐵氰化鉀水溶液按照1：1的體積比進(jìn)行混合，得到第二腐蝕液；

⑥將金相樣品置于第一腐蝕液中浸蝕1~2min，經(jīng)水洗吹干后，置于第二腐蝕液中浸蝕3~4min，經(jīng)水洗吹干后，再次置于第一腐蝕液中浸蝕1~2min，經(jīng)水洗吹干后得到待觀測(cè)金相樣品；

⑦將待測(cè)金相樣品置于金相顯微鏡（S3400N掃描電鏡）下進(jìn)行觀察分析并拍攝金相照片。

(2)切削試驗(yàn)

試驗(yàn)設(shè)備：在DNM515高效高剛性數(shù)控加工中心進(jìn)行SKD61模具鋼的銑削試驗(yàn)，采用型號(hào)為VMS-1510G的光學(xué)影像儀實(shí)時(shí)測(cè)量刀片前后刀面的磨損情況。

試驗(yàn)材料：材料為SKD61模具鋼，工件尺寸200mm×150mm×150mm，試驗(yàn)開始前用硬度計(jì)測(cè)量得到其洛氏硬度為HRC51.4。

試驗(yàn)刀具：銑削刀具為國(guó)產(chǎn)APMT1135PDER-FM硬質(zhì)合金刀片，夾具刀柄型號(hào)為BAP300R20×120-C20-2T。采用三種不同基體的刀片進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，涂層均為PVD-TiAlSiN+TiSiN，刀片代號(hào)為F25，F(xiàn)30，F(xiàn)35，不同代號(hào)對(duì)應(yīng)的基體信息如表1所示。

刀具失效判據(jù)：在SKD61不銹鋼的加工過程中，刀具失效的主要形式為后刀面磨損。本文采用的刀具磨損失效判據(jù)為后刀面磨損帶最大寬度VBmax≥0.3mm或刀具刃口出現(xiàn)明顯的崩碎現(xiàn)象，當(dāng)試驗(yàn)刀片達(dá)到磨損壽命時(shí)停止試驗(yàn)。

采用干式切削，磨損試驗(yàn)切削參數(shù)為：切削速度Vc=150m/min；進(jìn)給速度f=0.5mm/r；切削深度ap=8mm；切削寬度ae=0.35mm。逐層銑削，當(dāng)加工距離達(dá)到30m（切削時(shí)間t=1500s）時(shí)，停止試驗(yàn)并記錄每把刀具的磨損量。通過掃描電鏡觀測(cè)刀片表面的磨損形貌及基體的金相組織。

根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO分類，把切削刀具用硬質(zhì)合金所有牌號(hào)分成三大類，分別以字母P、M、K表示。其中M類（包括M10~M40，數(shù)字表示從最高硬度到最大韌性之間的一系列合金，在各種被加工材料的不同切削工序及加工條件時(shí)選用）是中合金化的硬質(zhì)合金牌號(hào)。其部分性能參數(shù)如表2所示。

M25、M30、M35基體主要是鎢鈦鉭鈷類硬質(zhì)合金YW2，其主要成分是WC、TiC、TaC及Co。這類硬質(zhì)合金又稱通用硬質(zhì)合金或萬能硬質(zhì)合金，是在YT類硬質(zhì)合金的基礎(chǔ)上添加TaC。研究表明，基體內(nèi)微孔、WC 晶粒粗大、粘結(jié)相聚集等因素都會(huì)削弱硬質(zhì)合金的強(qiáng)度。因此，提高基體結(jié)合緊密性和細(xì)化晶粒是提高硬質(zhì)合金性能的兩種主要手段。

在制備YW類硬質(zhì)合金的高能球磨過程中，添加進(jìn)原料中的TaC 會(huì)吸附在WC 晶粒表面，并在部分WC 晶粒表面形成TaC單分子層，阻礙WC晶粒之間的相互接觸，抑制了WC晶粒長(zhǎng)大。同時(shí)，由于TaC 分子在液態(tài)粘結(jié)相Co中的溶解度比WC晶粒更高，極大地抑制了WC溶解后的再結(jié)晶長(zhǎng)大。因此，在原料中添加TaC 可以有效抑制WC 晶粒長(zhǎng)大，細(xì)化的晶粒又能顯著提高硬質(zhì)合金的硬度。但是，如果在合金中加入過量的TaC，會(huì)導(dǎo)致WC晶粒間的晶界脆化，因未完全溶于液相Co中而析出的(Ta，W) C固溶相強(qiáng)度也遠(yuǎn)低于合金硬質(zhì)相的強(qiáng)度，受這些因素的共同作用，反而會(huì)使合金的橫向斷裂強(qiáng)度（TRS）下降。

由于加入TaC可使固溶體中WC的γ相含量降低，而使C的γ相含量提升，因此添加TaC 可以在一定程度上改善硬質(zhì)合金的含碳量。一旦硬質(zhì)合金粘結(jié)相中的碳含量增加，而固溶體中WC的γ相含量減少，其磁性鈷含量（Com）就會(huì)升高。說明TaC可在一定程度上調(diào)節(jié)硬質(zhì)合金中的碳含量，并由此抑制WC晶粒的不連續(xù)長(zhǎng)大。

隨著TaC含量的增加，在一定范圍內(nèi)，合金的矯頑磁力（Hc）會(huì)隨之上升，反之則會(huì)減小。這種變化趨勢(shì)與試驗(yàn)提供的基體信息中Hc的變化趨勢(shì)一致（M25>M30>M35）。試驗(yàn)結(jié)果表明，Hc最大的M25基體刀片磨損量最小，Hc最小的M35刀片磨損量最大。即基體的Hc值越大，刀片的耐磨性越好。

由表2可看出，三種基體密度相當(dāng)，但M25的矯頑磁力最大（矯頑磁力常用于表征硬質(zhì)合金中硬質(zhì)相晶粒尺寸和黏結(jié)相的分布狀態(tài) ），由此可以推測(cè)出，M25的硬質(zhì)相（WC等）的顆粒尺寸較小，硬度最高，故M25基體的銑刀片耐磨性最好。

為進(jìn)一步探究基體對(duì)相同涂層刀片耐磨性能的影響，使用S-3400N掃描電鏡對(duì)三種銑刀片基體金相的微觀形貌進(jìn)行觀察和分析。

圖1為M25、M30和M35基體的顯微結(jié)構(gòu)。其中灰色呈不規(guī)則多面體形狀較小的顆粒為WC（α）相，少數(shù)比α相大一些的灰色不規(guī)則多面體夾雜其中，為（Ti，W，Ta）C復(fù)合碳化物，深色黏結(jié)相為Co（γ）相。可以看出，M25中WC晶粒最為細(xì)密，基本在0.4μm左右及以下；而M30中的WC晶粒稍大，約為0.4~0.8μm；M35中的WC晶粒多數(shù)在08μm以上，其固溶體約為1.2μm。這種差異的存在會(huì)對(duì)三種刀具的機(jī)械性能產(chǎn)生影響。

表3為三種基體的部分性能參數(shù)。可知，三種基體密度相當(dāng)，表明其致密程度相差不大，M25的矯頑力最大。從圖1的顯微金相可以看出，M25基體的硬質(zhì)相（WC等）的顆粒尺寸最小，且分布均勻。所以，M25基體表現(xiàn)出更高的硬度與抗壓強(qiáng)度。

在相同切削參數(shù)下加工30m后，三種刀片均未達(dá)到后刀面磨損帶平均寬度（VB=0.3mm）的壽命極限，F(xiàn)25為0.126mm，F(xiàn)30為0.174mm，F(xiàn)35為0.220mm，且無明顯崩刃現(xiàn)象，故VB值的大小可以反映刀具的耐磨性高低。

圖2為三種刀片銑削SKD61模具鋼時(shí)刀具后刀面磨損量隨切削距離的變化。當(dāng)切削距離不斷增加，切削產(chǎn)生的熱量不能充分散出，再加上刀具表面微觀缺陷的不斷積累，刀具的磨損量不斷增大至磨鈍標(biāo)準(zhǔn)；三種刀片中F25的磨損量最小，磨損趨勢(shì)較緩，主要是由于F25刀片基體中的WC晶粒最細(xì)，綜合機(jī)械性能最好，抵抗高溫高壓下氧化磨損的能力最強(qiáng)，有利于減輕刀片粘結(jié)和氧化磨損。

一般來說，刀具前刀面的磨損狀態(tài)會(huì)對(duì)切屑形成產(chǎn)生影響，而刀具后刀面的磨損則會(huì)對(duì)零件已加工表面質(zhì)量產(chǎn)生重要影響。對(duì)銑刀片來說，切屑對(duì)其加工性能的影響較小，故主要研究刀具后刀面的磨損機(jī)理。圖3為通過影像儀觀察的三種刀片后刀面磨損形貌?？傮w上看，三種刀片的磨損帶都較為均勻，無明顯崩刃現(xiàn)象。

刀具的切削性能與其加工特定材料時(shí)的磨損機(jī)理密切相關(guān)，為進(jìn)一步分析刀片的磨損機(jī)理，利用S3400N掃描電鏡對(duì)三種刀片中磨損性能最好的F25刀片微觀形貌進(jìn)行觀察和分析。

圖3為影像儀拍攝的后刀面磨損狀態(tài)。從宏觀上看，切削刃沿后刀面向下發(fā)生了磨損。圖4為F25刀片加工SKD61模具鋼時(shí)的微觀磨損形態(tài)。圖4a是用200倍掃描電鏡拍攝的切削刃的刃口微觀磨損形態(tài)?？梢钥闯觯蟮睹姘l(fā)生了明顯的擠壓分層。

切削加工中刀具后刀面的擠壓摩擦有以下幾個(gè)主要影響因素：①SKD61模具鋼的硬度較高，連續(xù)切削加工過程中產(chǎn)生硬化現(xiàn)象，加劇刀具與工件表面的擠壓作用；②連續(xù)切削時(shí)積屑的堆積使刀具后角逐漸減小，增大后刀面與工件材料間的接觸面積，摩擦加??；③切削過程中擠壓變形所產(chǎn)生的熱量通過前刀面?zhèn)鬟f到后刀面區(qū)域，再加上摩擦熱的聚集，導(dǎo)致后刀面溫度急劇升高，高溫下刀具表面與空氣中的介質(zhì)發(fā)生嚴(yán)重的氧化反應(yīng)。

如圖4a所示，沿箭頭所指方向，材料顏色逐漸變深并發(fā)生氧化分層，越靠近刀刃處，分層越明顯，同時(shí)還可以觀察到層片處存在大量塊狀堆積，由此可以判斷，刀具中部分組分脫離原始基體，刀具組分中的C、Co等元素在切削產(chǎn)生的高溫下已發(fā)生氧化，其氧化產(chǎn)物與基體的結(jié)合強(qiáng)度低，在高溫作用下軟化，刀具與工件間還存在不斷擠壓現(xiàn)象，極易發(fā)生聚集形成團(tuán)絮狀積屑瘤黏附在刀具表面。

通過觀察圖4a可以發(fā)現(xiàn)，刀刃發(fā)生了明顯的崩碎，這是因?yàn)楦邷刈饔孟滦纬傻膶悠瑺罱缑媸芰O易疲勞斷裂，另外依附在層片上的粘結(jié)物受到強(qiáng)烈的擠壓作用，會(huì)附帶部分刀具表面材料一同剝落，加劇刃口崩碎。

圖4b為用2000倍電鏡拍攝的靠近切削刃附近區(qū)域的放大圖。觀察擠壓面的微觀結(jié)構(gòu)呈層片狀，并存在大量不規(guī)則的團(tuán)絮狀物質(zhì)附著在層片表面。層塊狀結(jié)構(gòu)夾雜著絮狀黏附物，表明在連續(xù)擠壓作用下，原本均勻分布的刀具組分發(fā)生了重聚，低熔點(diǎn)粘結(jié)相在高溫下逐漸呈層片狀擴(kuò)展，硬質(zhì)相的界面結(jié)構(gòu)被完全破壞，部分粘結(jié)相脫離基體黏附在層片表面。

（1）TaC的加入有利于WC晶粒的細(xì)化，三種基體中M25的TaC含量最高，矯頑磁力Hc（表征硬質(zhì)合金中硬質(zhì)相晶粒尺寸和黏結(jié)相分布狀態(tài)的物理量）最大；通過顯微金相實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，M25的硬質(zhì)相（WC等）的晶粒尺寸最小，且分布均勻，表現(xiàn)出最高的硬度與抗壓強(qiáng)度；

（2）在相同條件下干式銑削加工SKD61模具鋼時(shí)，三種涂層相同、基體不同的銑刀片耐磨性優(yōu)劣依次為M25>M30>M35，說明M25具有最好的綜合機(jī)械性能；

（3）M25、M30、M35三種基體刀片的后刀面主要磨損特征為涂層剝落，而高溫下的粘結(jié)和氧化是其失效的根本原因；當(dāng)致密度相近時(shí)，基體的WC晶粒越細(xì)，分布越均勻，抵抗高溫高壓下氧化磨損的能力越強(qiáng)，有利于減輕刀片粘結(jié)和氧化磨損，從而推遲崩刃的發(fā)生，延長(zhǎng)刀具使用壽命。